TECNOLOGÍAS DE DEPURACIÓN: SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS

Juan José Salas Rodríguez

Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA)

Resumen.Tras el uso de las aguas en distintos cometidos domésticos e industriales, y antes de su vertido a los cauces receptores, las aguas residuales resultantes de estos usos deben ser tratadas para minimizar su impacto contaminante sobre el medio ambiente.

En la actualidad, en la depuración de las aguas residuales urbanas la tecnología de Lodos Activos, en sus distintas modalidades, ocupa un lugar predominante. En el futuro, la promulgación de normativas cada vez más exigentes respecto a los límites de vertido para la preservación del medio receptor y para la reutilización de las aguas depuradas, junto con el desarrollo de técnicas más avanzadas de análisis, de monitorización y de control, llevará aparejada la necesidad de aplicar tratamientos más avanzados en la depuración de las aguas residuales urbanas.

1. Introducción.Tras el uso de las aguas en distintos cometidos domésticos e industriales, y antes de su vertido a los cauces receptores, las aguas residuales resultantes de estos usos deben ser tratadas para minimizar su impacto contaminante sobre el medio ambiente.

En la actualidad, en la depuración de aguas residuales urbanas la tecnología de Lodos Activos ocupa un lugar predominante.

Si bien, el origen de esta tecnología puede situarse en 1882, fecha en que se realizan los primeros ensayos sobre aireación de las aguas residuales, no es hasta 1914 cuando alcanza su mayoría de edad, con la publicación de los trabajos llevados a cabo en Inglaterra por E. Ardern y W. T. Lockett. Estos investigadores observaron que al airear las aguas residuales se producían flóculos, que por su mayor densidad se podían separar por simple decantación, comprobando, además, que si estos flóculos se mantenían en el reactor biológico se conseguía reducir de días a horas el tiempo necesario para lograr la eliminación de los contaminantes biodegradables y la nitrificación de los compuestos nitrogenados.

En 1917 comienzan las aplicaciones a escala industrial de este proceso de tratamiento, al poner en marcha la Manchester Corporation una planta con capacidad para 946 m3/d de aguas residuales. En esa misma fecha, en Houston (Texas) se construye una estación de depuración de 38.000 m3/d. A partir de ese momento, tanto en Gran Bretaña como en Estados Unidos, comienza la construcción de numerosas plantas para la depuración de las aguas residuales urbanas basadas en al tecnología de Lodos Activos.

Paradójicamente, pese al correcto funcionamiento de las nuevas plantas construidas se desconocía, básicamente, cuales eran los fundamentos de esta nueva tecnología de tratamiento, llegándose a publicar numerosos artículos en los que se debatía si la eliminación que se lograba de los compuestos contaminantes presentes en las aguas residuales era debida a procesos físicos o biológicos. No es hasta 1930 cuando se zanja definitivamente esta cuestión, decantándose hacia la mayor contribución de los procesos biológicos en los mecanismos de eliminación de los contaminantes.

Como consecuencia de la falta de conocimiento sobre los fundamentos de la tecnología de Lodos Activos, para el diseño de las primeras plantas de tratamiento el volumen de los reactores biológicos se determinaba de forma empírica, basándose en aplicaciones anteriores, y recurriendo al empleo de parámetros de diseño, tales como, el tiempo de retención hidráulica y la carga equivalente de población por unidad de volumen.

Esta metodología de diseño operaba correctamente para el tratamiento de las aguas residuales típicamente domésticas, pero no ocurría lo mismo cuando estas aguas presentaban importantes concentraciones de vertidos industriales, situación que cada vez se presentaba con una mayor frecuencia.

No es hasta los años 50-60 cuando se desarrolla una teoría válida sobre el proceso de Lodos Activos, lo que permitió que se comenzasen a realizar diseños racionales basados en las propias características de las aguas residuales a tratar. A partir de este momento, se asiste a un rápido incremento en la implantación de estaciones de tratamiento bajo la modalidad de Lodos Activos, que llegan a desbancar a los Filtros Percoladores, que desde finales del siglo XIX había sido la tecnología predominante.

Hoy en día, la tecnología de Lodos Activos en sus distintas modalidades (Convencional, Contacto-Estabilización, Aireación Prolongada, etc.), es la más ampliamente aplicada a nivel mundial para el tratamiento de las aguas residuales urbanas.

2. Evolución de los requisitos en el tratamiento de las aguas residuales urbanas.Los requisitos exigidos en el tratamiento de las aguas residuales van de la mano de los requisitos establecidos de calidad en las aguas receptoras, por ello, a lo largo del tiempo el tratamiento de las aguas residuales urbanas ha ido evolucionando para poder cumplir las nuevas normativas, que cada vez son más exigentes.

Hasta la década de los 70, los objetivos que se perseguían en el tratamiento de las aguas residuales urbanas se basaban, fundamentalmente, en la eliminación de la materia en suspensión y de la materia orgánica biodegradable. Estos objetivos se alcanzaban con la aplicación de Tratamientos Primarios y Secundarios, respectivamente.

Entre los años 70 y 80, la promulgación de normativas europeas cada vez más exigentes respecto a lo límites de vertido para la preservación del medio receptor:

- Calidad requerida de las aguas superficiales destinadas a la producción de agua potable (75/440CEE)

- Calidad de las aguas de baño (76/160/CEE)- Calidad de las aguas continentales que requieren protección o mejora para ser aptas

para la vida piscícola (78/659/CEE)- Calidad de las aguas litorales propicias para el desarrollo de moluscos comestibles

(79/923/CEE)

hizo necesario incrementar los rendimientos de depuración anteriormente exigidos, comenzándose a contemplar la reducción de los nutrientes presentes en las aguas residuales urbanas.

A partir de los años 80 han continuado los objetivos de mejora de la calidad de las aguas, pero se ha puesto un mayor énfasis en la determinación y eliminación de constituyentes presentes en las aguas residuales y que pueden originar a largo plazo impactos negativos sobre la salud humana y sobre el medio ambiente.

La Directiva 91/271/CEE establece distintos tipos de tratamientos de depuración a los que deberán someterse las aguas residuales urbanas antes de su vertido a las aguas continentales o marítimas, exigiendo la aplicación de Tratamientos más Rigurosos (para una mayor eliminación de N y P), en aquellos vertidos que se realizan a zonas sensibles, al objeto de combatir los procesos de eutrofización de las masas de aguas.

La evolución del porcentaje de población tratada por los diversos tipos de tratamiento (Tratamientos Primarios, Tratamientos Secundarios y Tratamientos más Rigurosos), en distintas zonas de Europa, se muestra en las Figura 1.

Figura 1. Evolución del porcentaje de población tratada por los diversos tipos de tratamiento en distintas zonas de Europa.

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1980-85 1990-94 1995-97

Europa del Norte: Islandia, Noruega, Suecia, Finlandia

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Europa Occidental: Austria, Irlanda, Gran Bretaña, Luxemburgo, Países Bajos, Alemania, Dimamarca

T. más Riguroso

T. Secundario

T. Primario

Fuente: European Environment Agency

En todos los casos, se observa un progresivo incremento del porcentaje de población a la que se aplican Tratamientos más Rigurosos, si bien:

- en los países del Norte de Europa la aplicación de este tipo de tratamiento ya era mayoritaria en el período 1980-85

- en los Países de Europa Occidental en los años 1995-97 el porcentaje de población con Tratamientos más Rigurosos supera al del resto de tratamientos

- en los países del Sur de Europa es donde más tarde comienza la aplicación de Tratamientos más Rigurosos y el porcentaje de población servida con este tipo de tratamiento es mucho menor

En el caso concreto de España, la Figura 2 muestra la evolución del porcentaje de los distintos tipos de tratamiento para las estaciones depuradoras en operación.

Figura 2. Evolución de los tipos de tratamientos en las depuradoras en operación en España

Fuente: Ministerio de Medio Ambiente

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Europa del Sur: Grecia, España

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1998 2000 2003

Evolución de las EDAR en España en función del tipo de tratamiento

T. más Riguroso

T. Secundario

T. Primario

En el futuro, la promulgación de normativas cada vez más exigentes respecto a los límites de vertido para la preservación del medio receptor y para la reutilización de las aguas depuradas, junto con el desarrollo de técnicas más avanzadas de análisis, de monitorización y de control, llevará aparejada la necesidad de aplicar tratamientos más avanzados en la depuración de las aguas residuales urbanas.

En este sentido, la nueva Directiva Marco del Agua (2000/60/CE), establece el control progresivo de los denominados “nuevos contaminantes” o “contaminantes emergentes” (fármacos, pesticidas, metabolitos de surfactantes, etc.).

3. Perspectivas en las tecnologías de depuración.En el tratamiento de las aguas residuales urbanas cabe distinguir entre las tecnologías aplicables a las grandes aglomeraciones y las que son de aplicación en las aglomeraciones de menor tamaño. En estas últimas, la escasez de recursos económicos y de personal especializado condiciona, muy acusadamente, la elección de la tecnología de depuración a instalar para el correcto tratamiento de sus vertidos líquidos urbanos. Por ello, son distintas las perspectivas de futuro en las tecnologías de depuración según el tamaño de la aglomeración de la que procedan las aguas residuales a tratar.

En el caso del tratamiento de las aguas residuales procedentes de grandes aglomeraciones las tendencias se orientan a:

- incrementar la fiabilidad de funcionamiento de las instalaciones de depuración- aumentar el grado de automatización de las instalaciones - potenciar la reutilización de los efluentes depurados- potenciar el empleo de los lodos generados en el proceso de tratamiento- potenciar la recuperación energética- minimizar los impactos olfativos

Por su parte, en las pequeñas aglomeraciones las tendencias en el tratamiento de sus vertidos líquidos se dirigen a:

- garantizar un funcionamiento eficaz frente a las grandes oscilaciones de caudal y carga de las aguas residuales a tratar, circunstancias habituales en las pequeñas aglomeraciones

- minimizar los consumos energéticos- simplificar las labores de explotación y mantenimiento - simplificar el manejo de los lodos generados en el proceso

De forma detallada, se describen a continuación, las actuaciones concretas en que se traducen las tendencias expuestas.

3.1. Grandes aglomeraciones.En la fase de diseño de las estaciones de tratamiento, y como consecuencia de los cambios que están experimentando las aguas residuales debido, principalmente, a la incorporación de vertidos industriales, se están potenciando los estudios, a nivel laboratorio y piloto, sobre la tratabilidad de los influentes a tratar en la estación depuradora, al objeto de determinar de forma experimental los parámetros cinéticos, que posteriormente se incorporan al diseño.

Para prevenir la contaminación de los cauces receptores por el desbordamiento de los sistemas colectores unitarios por aguas de tormenta, se comienzan a acometer actuaciones con un abanico de posibilidades complementarias:

- implantación de aliviaderos con una relación de dilución elevada (5:1 a 7:1)- instalación de equipos de desbaste en el vertido de los aliviaderos, al objeto de separar

y retirar los elementos gruesos - construcción de balsas de tormentas para almacenar y regular la incorporación de los

caudales excepcionales a las instalaciones de Tratamiento Primario de las depuradoras

La etapa de Pretratamiento, en la que se eliminan los objetos gruesos, las arenas y las grasas presentes en las aguas residuales, comienza a recibir una mayor atención, dado que su correcto funcionamiento influye notablemente en el comportamiento de las etapas posteriores. Para ello, se recurre cada vez con mayor frecuencia al empleo de tamices y se mejoran los rendimientos de los desengrasadores. Igualmente, y para abaratar los costes de transporte y para minimizar los impactos olfativos, se tiende a la compactación de los residuos extraídos en la etapa de desbaste.

Con relación a los Tratamientos Primarios, los esfuerzos se enfocan a mejorar la recogida de los lodos decantados y de los flotantes, lo que permite disminuir la carga de alimentación a la etapa biológica del tratamiento.

En la primera etapa de los Tratamientos Secundarios, constituida por los Reactores Biológicos se tiende al empleo de reactores en serie y de reactores secuenciales, al empleo de procesos de biopelícula, a la separación de los procesos de areación de los de agitación al objeto de economizar la energía y a la automatización de la medida del contenido de oxígeno disuelto y de biomasa en suspensión (SSLM) en los reactores, para facilitar el control del proceso.

En lo referente a los Decantadores Secundarios se trabaja en su sustitución por membranas. La combinación de reactores biológicos y membranas recibe el nombre de Biorreactores de Membrana (BRM) y presenta con relación al esquema clásico “Reactor Biológico-Decantación Secundaria”, las ventajas de: mejorar la calidad de los efluentes depurados (lográndose reducciones elevadas de nutrientes, de patógenos y de contaminantes emergentes), permitir operar en los reactores biológicos con mayores concentraciones de biomasa en suspensión (SSLM), facilitar un control perfecto de los tiempos de retención de sólidos (SRT) y ocupar un menor espacio.

Entre los inconvenientes de la tecnología BRM se incluyen los costes de capital más altos de las unidades de membrana, la necesidad de un mayor mantenimiento y el hecho de que las purgas de lodos presentan bajas concentraciones.

Para la eliminación de nutrientes (N y P) se recurre cada vez más al empleo de procesos biológicos, aunque en el caso de la eliminación del fósforo los procesos de precipitación química continúan siendo los de mayor aplicación.

Con relación a la desinfección de los efluentes depurados, si bien el cloro ha sido, y continua siendo, el desinfectante típico en el campo de las aguas residuales, al incrementarse el número de requisitos para lograr bajas o indetectables cantidades de cloro residual en los efluentes tratados, se hace precisa la implantación de procesos posteriores de decloración, o bien, la

sustitución de los sistemas de cloración por sistemas de desinfección alternativos, tales como la radiación UV, el empleo de ozono o el empleo de membranas.

En lo referente a la línea de lodos, en las estaciones depuradoras de las grandes aglomeraciones la digestión anaerobia continúa siendo el principal proceso para la estabilización de los lodos, tendiéndose a la implantación de procesos de digestión en dos etapas, al objeto de disminuir los tiempos de retención, y a operar en el rango termofílico de temperaturas (50-60 ºC).

Igualmente, se tiende a un mayor aprovechamiento del biogás generado en la digestión anaerobia de los lodos, tanto para el propio calentamiento de los digestores, como para la generación de energía eléctrica, al objeto de suplir en parte el consumo eléctrico global de la instalación de depuración.

En el caso de la estabilización aerobia de los lodos se comienza a aplicar el proceso ATAD (Autoheated Thermophilic Aerobic Digestion), con el que se consiguen bajos tiempos de retención y se obtienen lodos estabilizados con una elevada reducción de patógenos, que cumplen los requisitos de las Clase A para su posterior empleo como fertilizante.

Para la deshidratación de los lodos se tiende a la aplicación de centrífugas con una mayor capacidad de extracción de agua, lo que redunda en una reducción del volumen de los residuos a trasportar a la vez que facilita el compostaje de los mismos.

El secado térmico es otra de las tecnologías en crecimiento para la deshidratación de los lodos.

El control de olores en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales es una de las preocupaciones medioambientales crecientes. Los dispositivos para el control de olores incluyen: cubiertas para los procesos donde se generan (Pretratamiento, Espesadores de lodos, etapa de Deshidratación de lodos), equipos especiales de ventilación para los espacios cubiertos y el tratamiento de las corrientes de aire evacuadas (torres de lavado de gases, adsorción sobre carbón activo, etc.).

Dado que las características y caudales de las aguas residuales que alimentan a las estaciones depuradoras de aguas residuales son variables en el tiempo, se hace necesario el control en continuo del proceso de tratamiento para garantizar, en todo momento, que la calidad de los efluentes depurados cumple con los requisitos establecidos.

La monitorización “on line” de parámetros críticos, tales como: COT, turbidez y oxígeno disuelto, permite mejorar los procesos de control.

3.2. Pequeñas aglomeraciones.Las tecnologías de depuración, que por sus reducidos o nulos requisitos energéticos y por su simplicidad de mantenimiento y operación, están especialmente indicadas para el tratamiento de las aguas residuales generadas en las pequeñas aglomeraciones urbanas, se conocen bajo el nombre genérico de "Tecnologías no Convencionales" (TNC).

Este tipo de tecnologías requiere actuaciones de bajo impacto ambiental, consiguiendo la reducción de la carga contaminante con costes de operación inferiores a los de los

tratamientos convencionales y con unas necesidades de mantenimiento sin grandes dificultades técnicas, lo que permite su explotación por personal no especializado.

Los procesos que intervienen en las TNC incluyen a muchos de los que se aplican en los tratamientos convencionales (sedimentación, filtración, adsorción, precipitación química, intercambio iónico, degradación biológica, etc.), junto con procesos propios de los tratamientos naturales (fotosíntesis, fotooxidación, asimilación por parte de las plantas, etc.), pero a diferencia de las Tecnologías Convencionales, en las que los procesos transcurren de forma secuencial en tanques y reactores, y a velocidades aceleradas (gracias al aporte de energía), en las TNC se opera a velocidad "natural" (sin aporte de energía), desarrollándose los procesos en un único "reactor-sistema".

Lamentablemente, en muchas ocasiones se ha asimilado, erróneamente, simplicidad de operación y mantenimiento a simplicidad de diseño, por lo que no se ha prestado la suficiente atención a la fase de dimensionamiento del sistema de tratamiento ni a la posterior etapa constructiva. Estas deficiencias han tenido su reflejo en numerosas instalaciones en las que no se alcanzan los rendimientos esperados.

En la actualidad se está superando este hándicap, tendiéndose a diseños rigurosos y a construcciones con la calidad suficiente para garantizar el correcto funcionamiento de este tipo de tecnologías. Con ello, se espera un notable incremento en la aplicación de TNC para el tratamiento de los vertidos líquidos de las pequeñas aglomeraciones urbanas, que es el rango poblacional con una mayor necesidad de nuevas estaciones de depuración.

Entre las distintas TNC existentes, la que en los últimos tiempos está experimentando a nivel mundial un mayor grado de desarrollo y de implantación, es la que se conoce como Humedales Artificiales (tanto en su modalidad de Flujo Vertical, como en la de Flujo Subsuperficial), y que reproduce de forma artificial las condiciones propias de las zonas húmedas naturales.

Los Humedales Artificiales, además de una perfecta integración ambiental y de lograr elevados rendimientos en la eliminación de sólidos en suspensión, materia orgánica y patógenos, comienzan a emplearse para el tratamiento de las aguas de tormenta, y, estudios recientes, confirman su capacidad para la reducción de un gran número de contaminantes emergentes.

5. Conclusiones.Los requisitos del tratamiento de las aguas residuales van de la mano de los requisitos establecidos de calidad de las aguas, por ello, a lo largo del tiempo el tratamiento de las aguas residuales urbanas ha ido evolucionando para poder cumplir los requisitos, cada vez más exigentes, que se demandan.

En el futuro, la promulgación de normativas cada vez más exigentes respecto a los límites de vertido para la preservación del medio receptor y para la reutilización de las aguas depuradas, junto con el desarrollo de técnicas más avanzadas de análisis, de monitorización y de control, llevará aparejada la necesidad de aplicar tratamientos más avanzados en la depuración de las aguas residuales urbanas.

En el caso del tratamiento de las aguas residuales procedentes de grandes aglomeraciones las tendencias se orientan a:

- incrementar la fiabilidad de funcionamiento de las instalaciones de depuración- aumentar el grado de automatización de las instalaciones - potenciar la reutilización de los efluentes depurados- potenciar el empleo de los lodos generados en el proceso de tratamiento- potenciar la recuperación energética- minimizar los impactos olfativos

En las pequeñas aglomeraciones, donde las carencias en depuración son mayores, es de esperar un notable incremento en la aplicación de Tecnologías no Convencionales para la depuración de sus aguas residuales, siempre y cuando su diseño y construcción se lleven a cabo de forma rigurosa.

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